『臺博新知』：仿生機器蟑螂JumpRoACH會彈跳爬行

賴婉婷／國立臺灣博物館研究組
歐陽盛菊／國立清華大學工業工程與工程管理研究所碩士
歐陽盛芝／國立臺灣博物館

南韓首爾國立大學（Seoul National University）仿生機器人實驗室（Biorobotics Laboratory）趙（Kyu-Jin Cho）副教授領導的研究團隊與美國加州大學柏克萊分校（UC Berkeley）仿生系統實驗室（Biomimetic Millisystems Laboratory）費林（Ronald S. Fearing）教授合作，於2016年5月在2016 IEEE國際機器人與自動化大會（International Conference on Robotics and Automation，簡稱ICRA）發表一款仿生美洲家蠊（Periplaneta americana），兼仿生直翅目（Orthoptera）昆蟲向上跳躍能力的機器蟑螂JumpRoACH，具有長方形機體和六足，重量僅59.4公克，最高爬行速度可達到每秒0.62公尺，還能彈跳達1.10到1.62公尺高度，跳躍距離為0.6公尺，當機體上方加裝可開合雙翅的橢圓形外殼，能在空中完成翻越等高難度動作，即使不小心翻肚也能靠打開雙翅翻正，繼續向前行走或向上跳躍。跳躍後未必能以六足朝下的正確姿態著陸，但可像真正的蟑螂打開翅膀，自行從側面或背面翻轉回來，因此若從高處掉落也不會受損。

仿生機器蟑螂JumpRoACH會彈跳爬行，也能自我翻正（繪製者：王美乃）。

美洲家蠊為蜚蠊目（Blattaria或Blattodea）蜚蠊科（Blattidae）的昆蟲，分布很廣，是室內常見的居家害蟲和衛生害蟲，體型小、動作快、擅走能飛，也是跑最快的昆蟲之一，無論壓縮躲藏或鑽縫爬牆，幾乎無所不在；而蝗蟲、螽蟖、蚱蜢、蟋蟀等直翅目昆蟲遍佈全世界，通常具有發達的後腿，擅於跳躍比身體長數十倍的距離，用來覓食及躲避天敵。研究團隊觀察發現直翅目的昆蟲和半翅目（Hemiptera）的沫蟬，在行走時配合跳的動作，不僅可快速向前或向上一段距離，也能輕易跳躍障礙物，即使因跳躍導致軀體翻面，也能迅速翻正姿態。因此綜合模仿蟑螂和蝗蟲的優點，將跑步與跳躍等技能結合成為多模式運動方式，使微型機器人的運動更高效快速。

美洲家蠊（Periplaneta americana）跑得很快，會壓縮躲藏、鑽縫爬牆、飛行跳躍，為家戶常見害蟲（圖片來源：歐陽盛芝）。

研究團隊開發出新型彈跳機制，具有增強的儲能能力和可調跳躍高度的主動觸發器，由可折疊與展開的捲動暨滑動關節接頭、類似人類膝關節的菱形四連桿機構組成，可控制JumpRoACH跳躍程度從微幅到3公尺彈射的垂直跳躍。他們將跳躍組件整合組裝在費林教授2009年發明的輕量級「動態自主爬行六足機器人」（Dynamic Automonous Sprawled Hexapod，簡稱DASH）機體中心長、寬、高為10×2×3.5公分深的空間內，改善以往大多數小型跳躍機器人使用彈簧與閂鎖（spring mechanism with a latch）機制，因依二進制（binary）由閂鎖控制彈簧捲起或彈開，無法控制跳躍高度及距離的問題。

DASH長、寬、高為10×5×10公分，重16.2公克（含1.8公克的3.7伏特50亳安鋰聚合物電池），以可縮放的智能複合材料製造（Smart Composite Manufacturing，簡稱SCM），並使用電子封裝一個微控制器、馬達驅動器、和藍芽通信模組製成無線操作控制，可模仿昆蟲的交替三角架式步態行走，經測試能以每秒爬行1.5公尺距離的速度持續運動40分鐘；若從28公尺高處摔落混凝土地面，即使衝擊速度達每秒約10.3公尺，仍未損壞且保持正常運作。

當JumpRoACH爬行或移動時，連桿被壓縮，八條乳膠橡膠帶以最大限度儲存能量，並根據跳躍的目標以直流馬達主動觸發齒輪、調整滑輪鋼絲捲線長度和儲存或釋放能量，使機器蟑螂能夠控制跳躍的離地速度及高度，直流馬達同時驅動因翻轉所加裝的雙翅背板外殼。機器蟑螂跳最高時，馬達完全纏繞滑輪線、以儲存更多能量；進行低跳時，馬達減少繞線長度、且僅壓縮部分跳躍組件，若被壓縮至小於3.5公分時，跳躍結構未接觸地面，JumpRoACH可正常爬行。爬行速度和離地速度是獨立控制，當爬行速度為每秒0.63公尺，且離地速度為每秒4.52公尺時，可跳躍1.1公尺，並能克服0.8公尺高的障礙物。但JumpRoACH尚無法精確掌握跳躍的距離及高度，偶爾會撞到桌角摔得解體、無法展現翻身技巧；而加裝的雙翅背板也可能因滑翔增長跳躍降落的移動距離，卻未達飛翔功能，因此將繼續研究改善。

未來仿生機器蟑螂JumpRoACH預期將可在地震或火災發生時，克服障礙和崎嶇地形，擴大運動領域，降低運輸成本，鑽進災區瓦礫堆中進行環境偵測及搜救受困者，或直接跳到上層廢墟執行任務，延伸偵防和救難範圍並縮短所需時間，亦可運用於危險區域例如核災現場探勘測繪，甚至可被大規模應用到體型較大的機器人系統或設備，執行太空外星探索等任務。

（以上新聞編譯自2016年5月發行之2016 IEEE ICRA會議論文）

（本文由科技部補助「向大自然借鏡：生物行為的科學解密」執行團隊撰稿）

責任編輯：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

審校：歐陽盛芝／國立臺灣博物館

日期：2017/2/23

本單元學術名稱：生物醫農＞動物學

標籤：仿生機器蟑螂JumpRoACH會彈跳爬行

資料來源：

Jung, G.-P., C. S. Casarez, S.-P. Jung, R. S. Fearing, and K.-J. Cho. 2016. An integrated jumping-crawling robot using height-adjustable jumping module. 2016 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2016, 4680-4685.

延伸學習：

Ackerman, E. 2016. Cockroach robot flips itself with insect-inspired wings. IEEE Spectrum / Automaton / Robotics / Robot Sensors & Actuators, November 17, 2016.

Birkmeyer, P., K. Peterson, and R. S. Fearing. 2009. DASH: a dynamic 16g hexapedal robot. 2009 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), IEEE 2009, 2683-2689.

Li, C., C. C. Kessens, A. Young, R. S. Fearing, and R. J. Full. 2016. Cockroach-inspired winged robot reveals principles of ground-based dynamic self-righting. 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2016), 2128-2134.